Bestaat warmteoverdracht wanneer energie van het ene lichaam naar het andere gaat vanwege het temperatuurverschil tussen de twee. Het warmteoverdrachtproces stopt zodra de temperaturen van de lichamen die in contact zijn gelijk worden of wanneer het contact daartussen wordt geëlimineerd..
De hoeveelheid energie die in een bepaalde tijd van het ene lichaam naar het andere wordt overgebracht, wordt genoemd warmte overgedragen. Het ene lichaam kan warmte aan het andere afgeven, of het kan het opnemen, maar de warmte gaat altijd van het lichaam met de hoogste temperatuur naar het lichaam met de laagste temperatuur..
De warmte-eenheden zijn dezelfde als die van energie en in het internationale meetsysteem (SI) is dit de joule (J). Andere veelgebruikte warmte-eenheden zijn de calorieën en de BTU..
Wat betreft de wiskundige wetten die de warmteoverdracht regelen, ze zijn afhankelijk van het mechanisme dat bij de uitwisseling betrokken is..
Wanneer warmte van het ene lichaam naar het andere wordt geleid, is de snelheid waarmee warmte wordt uitgewisseld evenredig met het temperatuurverschil. Dit staat bekend als de Wet van Fourier van thermische geleidbaarheid, wat leidt tot de Newton's wet van afkoeling.
Artikel index
Het zijn de manieren waarop warmte kan worden uitgewisseld tussen twee lichamen. Er worden drie mechanismen herkend:
-Het rijden
-Convectie
-Straling
In een pot zoals weergegeven in de bovenstaande afbeelding, zijn er deze drie warmteoverdrachtsmechanismen:
-Het metaal in de pot wordt voornamelijk verwarmd door geleiding.
-Water en lucht worden warm en stijgen door convectie.
-Mensen in de buurt van de pot worden verwarmd door de uitgezonden straling.
Warmtegeleiding komt vooral voor in vaste stoffen en in het bijzonder in metalen.
Het fornuis in de keuken geeft bijvoorbeeld warmte door aan het voedsel in de pan via het geleidingsmechanisme door het metaal van de bodem en de metalen wanden van de container. Bij warmtegeleiding is er geen materiaaltransport, alleen energie.
Het convectiemechanisme is typisch voor vloeistoffen en gassen. Deze zijn bijna altijd minder dicht bij hogere temperaturen, om deze reden is er een opwaarts transport van warmte van de warmere fluïdumdelen naar de hogere gebieden met koudere fluïdumdelen. In het convectiemechanisme is er materiaaltransport.
Het stralingsmechanisme van zijn kant maakt warmte-uitwisseling tussen twee lichamen mogelijk, zelfs als ze niet met elkaar in contact zijn. Het directe voorbeeld is de zon, die de aarde verwarmt door de lege ruimte tussen de twee..
Alle lichamen zenden en absorberen elektromagnetische straling uit. Als je twee lichamen hebt met verschillende temperaturen, zelfs als je in een vacuüm zit, zullen ze na een tijdje dezelfde temperatuur bereiken door warmte-uitwisseling door elektromagnetische straling.
In thermodynamische systemen in evenwicht is de hoeveelheid totale warmte die wordt uitgewisseld met de omgeving van belang, zodat het systeem van de ene evenwichtstoestand naar de andere gaat..
Aan de andere kant is bij warmteoverdracht de interesse gericht op het tijdelijke fenomeen, wanneer de systemen nog geen thermisch evenwicht hebben bereikt. Het is belangrijk op te merken dat de hoeveelheid warmte wordt uitgewisseld in een bepaalde tijdsperiode, dat wil zeggen dat er een snelheid van warmteoverdracht is.
Bij thermische geleidbaarheid wordt de warmte-energie overgedragen door botsingen tussen de atomen en moleculen van het materiaal, of het nu vast, vloeibaar of gasvormig is..
Vaste stoffen zijn betere warmtegeleiders dan gassen en vloeistoffen. In metalen zijn er vrije elektronen die door het metaal kunnen bewegen.
Omdat vrije elektronen een grote mobiliteit hebben, zijn ze in staat om kinetische energie efficiënter over te brengen door botsingen, daarom hebben metalen een hoge thermische geleidbaarheid..
Vanuit macroscopisch oogpunt wordt thermische geleidbaarheid gemeten als de hoeveelheid warmte die per tijdseenheid wordt overgedragen, of calorische stroom H:
Calorische stroom H. is evenredig met de doorsnede van het gebied NAAR en de temperatuurvariatie per eenheid longitudinale afstand.
Deze vergelijking wordt toegepast om de calorische stroom te berekenen H. van een staaf zoals die in figuur 2, die zich tussen twee temperatuurreservoirs bevindt T1 Y Ttwee respectievelijk zijn T1> T.twee.
Hieronder staat een lijst van de thermische geleidbaarheid van sommige materialen in watt per meter per kelvin: W / (m. K)
Aluminium -205
Koper -385
Zilver --400
Staal -50
Kurk of glasvezel - 0,04
Beton of glas -0,8
Hout - 0,05 tot 0,015
Lucht - 0,024
Bij warmteconvectie wordt energie overgedragen door de beweging van de vloeistof, die bij verschillende temperaturen verschillende dichtheden heeft. Wanneer water bijvoorbeeld in een pan wordt gekookt, verhoogt het water nabij de bodem zijn temperatuur, zodat het uitzet.
Deze uitzetting zorgt ervoor dat het warme water stijgt, terwijl het koude naar beneden gaat om de ruimte in te nemen die is achtergelaten door het hete water dat is opgestegen. Het resultaat is een circulatiebeweging die doorgaat totdat de temperaturen van alle niveaus gelijk zijn..
Convectie bepaalt de beweging van grote luchtmassa's in de atmosfeer van de aarde en bepaalt ook de circulatie van zeestromingen..
In de mechanismen van warmteoverdracht door geleiding en door convectie is de aanwezigheid van een materiaal vereist om de warmte over te dragen. Aan de andere kant kan in het stralingsmechanisme warmte via een vacuüm van het ene lichaam naar het andere gaan..
Dit is het mechanisme waarmee de zon, bij een hogere temperatuur dan de aarde, energie rechtstreeks door het vacuüm van de ruimte naar onze planeet overbrengt. Straling bereikt ons via elektromagnetische golven.
Alle materialen zijn in staat elektromagnetische straling uit te zenden en te absorberen. Het maximum van de uitgezonden of geabsorbeerde frequentie is afhankelijk van de temperatuur van het materiaal en deze frequentie neemt toe met de temperatuur..
De overheersende golflengte in het emissie- of absorptiespectrum van een zwart lichaam volgt de Wien wet, waarin staat dat de overheersende golflengte evenredig is met het omgekeerde van de lichaamstemperatuur.
Aan de andere kant is het vermogen (in watt) waarmee een lichaam warmte-energie uitzendt of absorbeert door elektromagnetische straling evenredig met de vierde macht van de absolute temperatuur. Dit staat bekend als de de wet van Stefan
P = εAσT4
In de bovenstaande uitdrukking σ is de constante van Stefan en de waarde is 5,67 x 10-8 W / mtwee K4. NAAR is het oppervlak van het lichaam en ε is het emissievermogen van het materiaal, een dimensieloze constante waarvan de waarde tussen 0 en 1 ligt, en hangt af van het materiaal.
Beschouw de staaf in figuur 2. Stel dat de staaf 5 cm lang is, 1 cm in straal en gemaakt is van koper..
De bar wordt tussen twee muren geplaatst die zijn constante temperatuur behouden. De eerste muur heeft een temperatuur T1 = 100ºC, terwijl de andere op T2 = 20ºC ligt. Bepalen:
a.- De waarde van de thermische stroom H
b.- De temperatuur van de koperen staaf op 2 cm, op 3 cm en op 4 cm van de temperatuurwand T1.
Omdat de koperen staaf tussen twee muren is geplaatst waarvan de muren te allen tijde dezelfde temperatuur behouden, kan worden gezegd dat deze zich in een stabiele toestand bevindt. Dat wil zeggen, de thermische stroom H heeft voor elk moment dezelfde waarde.
Om deze stroom te berekenen passen we de formule toe die de huidige H relateert aan het temperatuurverschil en de lengte van de staaf.
De dwarsdoorsnede is:
A = πRtwee = 3,14 * (1 × 10-tweem)twee = 3,14 x 10-4 mtwee
Het temperatuurverschil tussen de uiteinden van de staaf is
ΔT = (100ºC - 20ºC) = (373K - 293K) = 80K
Δx = 5 cm = 5 x 10-twee m
H = 385 W / (m K) * 3,14 x 10-4 mtwee * (80K / 5 x 10-twee m) = 193,4 W
Deze stroom is hetzelfde op elk punt op de balk en op elk moment, aangezien de stabiele toestand is bereikt..
In dit deel wordt ons gevraagd om de temperatuur te berekenen Tp op een gegeven moment P. op afstand gelegen Xp ten opzichte van de muur T1.
De uitdrukking die de calorische stroom geeft H. op het punt P. het is:
H = k EEN (T1 -Tp) / (Xp)
Uit deze uitdrukking kan het worden berekend Tp door:
Tp = T1 - (H Xp) / (k EEN) = 373 K - (193,4 W / (385 W / (m K) 3,14 x 10-4 mtwee)) * Xp
Tp = 373 K - 1620,4 (K / m) * Xp
Laten we de temperatuur berekenen Tp in de posities van respectievelijk 2 cm, 3 cm en 4 cm, waarbij numerieke waarden worden vervangen:
Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.